Leseprobe. Andreas Gebhardt. 3D-Drucken. Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM) ISBN (Buch):

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1 Leseprobe Andreas Gebhardt 3D-Drucken Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM) ISBN (Buch): ISBN (E-Book): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Inhalt Vorwort V Danksagung VII Über den Autor IX 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen Grundbegriffe und Definitionen Generative Fertigungsverfahren Schichtbauverfahren Prinzip der Schichtbauverfahren Anwendungen Direkte Prozesse Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Rapid Tooling Anwendungsebenen Indirekte Prozesse Indirect Prototyping Indirect Tooling Indirect Manufacturing Maschinenklassen für Additive Manufacturing Fabricator und Andere Generische Bezeichnungen für AM-Maschinen Schlussfolgerungen Fragen Schichtbauverfahren Direkte Schichtbauverfahren Polymerisation Laser-Stereolithografie (LS) Polymerdruckverfahren und Thermojet-Drucken (Polymerjetting) Digital Light Processing/Lampen-Masken-Verfahren Mikro-Stereolithografie Sintern und Schmelzen Lasersintern Selektives Lasersintern (LS SLS) Laserschmelzen Selektives Laserschmelzen (SLM) Elektronenstrahl-Schmelzen

3 XII Inhalt Extrusion Fused Layer Modeling Pulver-Binder-Verfahren Dreidimensionales Drucken (Drop on Powder Process) Three Dimensional Printing Z-Corporation Three Dimensional Printing Prometal Three Dimensional Printing Voxeljet Layer Laminate Manufacturing (LLM) Layer Laminate Manufacturing, Laminated Object Manufacturing (LOM) Layer Laminate Manufacturing, Paper Lamination, MCOR Layer Laminate Manufacturing, Laminate Printer LLM Maschinen für Metallteile Andere Prozesse: Aerosolprinting und Bioplotter Aerosolprinting Bioplotter Maschinen für Additive Herstell ungsver fah ren Fabricatoren, Printer und Drucker Secondary Rapid Prototyping Processes Schlussfolgerungen und Ausblick Fragen Anwendungen Datenfluss und Prozessketten Allgemeine AM-Prozesskette Prozesskette und Datenfluss für Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing STL- und AMF-Datenstruktur, Fehler und Fehlerbehebung Anwendungen des AM Automobilindustrie und Zulieferer Automobilkomponenten: Interieur Automobilkomponenten: Exterieur Luftfahrtindustrie Konsumgüter Spielzeugindustrie Kunst und Kunstgeschichte Gießerei und Gießtechnik Sandguss Wachsausschmelzverfahren Formenbau für Kunststoff Spritzgießen und Metall Feingießen (Rapid Tooling) Medizintechnik Architektur und Landschaftsgestaltung Verschiedene Anwendungen Mathematische Funktionen und 3D-Grafiken D-Dekorationsobjekte und Ornamente Aerodynamische und Freiformobjekte

4 Inhalt XIII 3.3 Schlussfolgerungen Fragen Additive Manufacturing, Konstruktion und Strategien Potenziale additiver Herstellungsverfahren Potenziale und Perspektiven Komplexe Geometrien Integrierte Geometrie Integrierte Funktionalität Multi-Material-Bauteile und Gradientenmaterialien Neue AM basierte Strategien Personalisierte Fertigung (Customization) Customized Mass Production Individualisierte Massenfertigung Einzelstücke und Kleinserienproduktion Individualisierung Personalisierung Personal Fabrication persönliche Produktion Self customization Distributed Customized Production Verteilte individualisierte Produktion Coproduktion Schlussfolgerungen Fragen Materialien, Entwurf und Qualitätsaspekte für additive Herstellungsverfahren Materialien für additive Herstellungsverfahren Anisotrope Eigenschaften Isotrope Grundmaterialien Kunststoffe Metalle Keramische Materialien Kompositwerkstoffe Individuell zugeschnittene (graded) Werkstoffe und Kompositwerkstoffe Konstruktions- und Entwurfsrichtlinien für AM Toleranzen Vom digitalen Entwurf zum Objekt Designfreiheit Relative Passgenauigkeit Flexible Bauteile, Gelenke, Clips Lage und Positionierung der Bauteile im Bauraum Bohrungen (Löcher), Spalte, Stifte und Wände AM-Eigenschaften, Auswahl, Bauorganisation Schlussfolgerungen Fragen Glossar: Begriffe und Abkürzungen Literatur Index

5 Vorwort Rapid Prototyping, Generative Fertigungsverfahren, 3D-Drucken, und die englischen Varianten 3D Printing, Desktop Manufacturing, sind identische Bezeichnung für die Technologie und Anwendung der Schichtbauverfahren. Die unterschiedlichen Begriffe bezeichnen jene neuen Fertigungsverfahren, d enen nachgesagt wird, sie begründeten eine weitere industrielle Revolution. Sie sind geeignet die Produktentwicklung durch schnelle Verfügbarkeit komplexer Prototypen zu beschleunigen und in ihrer Qualität zu verbessern. Sie versetzen uns aber auch in die Lage, direkt und losgrößenunabhängig Endprodukte herzustellen. Damit markieren sie tatsächlich eine Revolution der Fertigungstechnik: Die Wandlung von einer Fertigungstechnologie zur Herstellung großer Serien von gleichen Teilen hin zu einer Herstellung von unterschiedlichen Teilen, seien es Einzelteile oder beliebige Serien oder auch Mischungen daraus. Das 3D-Drucken ist in allen Branchen einsetzbar. Jeder, der mit Konstruktion und Fertigung, aber auch mit strategischer Planung zu tun hat, sollte daher über diese Technologie so viel wissen, dass eine qualifizierte Bewertung und Auswahl erfolgen kann. Dieses Buch vermittelt in knapper, der Praxis angemessener Form die Grundlagen der Verfahren und zeigt exemplarische Anwendungen. In die Betrachtung werden alle heute verfügbaren Verfahren aufgrund einer Systematik einbezogen, die auch die Einordnung und Bewertung zukünftiger Verfahren ermöglicht. Neben den Verfahren werden neue Arbeitsformen diskutiert, die sich aus der digi talen ortsunabhängigen Fertigung ergeben und eine dezentrale Fertigung ermög lichen, die die heutige Produktionsorganisation gründlich verändern könnte. Ein Glossar unterstützt die tägliche Arbeit mit dem 3D-Drucken und den schnellen Zugang. Hinsichtlich der Bilder und Grafiken sei auf das E-Book verwiesen, das mittels farbiger Darstellungen den optischen Eindruck verstärkt. Aachen, Oktober 2014 Andreas Gebhardt

6 4 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen Bedingt durch die gleichmäßige Dicke der Schichten, weisen alle mittels Schichttechnologie gefertigten Bauteile einen Treppenstufeneffekt entsprechend Bild 1.2 (rechts) auf. Bild 1.2 Prinzip der Schichtbauweise: Konturierte Schichten (links), 3D-Objekt erzeugt durch versetzte Schichten (rechts) (Quelle: HASBRO/MB Puzzle) Wenn zukünftig neue additive Technologien verfügbar sein sollten, wird es erfor derlich sein, diese in die gegenwärtige Struktur der AM -Begriffe einzuordnen. So wurde zum Beispiel ein Prozess genannt Ballistic Particle Manufacturing, BPM bereits in den frühen 1990er-Jahren eingeführt, verschwand aber bald darauf wieder. Der Prozess führte dem Bauteil Material aus allen Raumrichtungen zu, indem diskrete Volumina (Voxels) auf das entstehende Objekt mittels Freistrahl aufge tragen ( aufgeschossen ) wurden. Diese Technologie war zwar additiv, aber nicht schichtenbasiert. Additive Herstellungsverfahren (AM) Additive Herstellungsverfahren (AM) sind automatisierte und schichtweise wiederkehrende Prozesse, die auf dem Prinzip der Schichttechnologie aufbauen. Sie werden durch eine Prozesskette charakterisiert, die in Bild 1.3 dargestellt ist. Der Prozess beginnt mit einem (virtuellen) dreidimensionalen CAD-Datensatz, der das herzustellende Teil wiedergibt. In der Engineeringphase wird der Datensatz typischerweise mittels 3D-CAD Konstruktion (CAD), durch Scannen oder durch bildgebende Verfahren wie Computer-Tomografie (CT-Scanning) erzeugt. Unabhängig davon wie der 3D-Datensatz erzeugt wurde, wird er im ersten Schritt mittels Rechner und spezieller Software in Scheiben oder Schichten zerteilt. Als Ergebnis wird ein Satz konturierter virtueller Schichten gleichmäßiger Dicke ge wonnen.

7 1.1 Grundbegriffe und Definitionen Rechnerinternes CAD-Modell Rechnerinterne Schnittdarstellung Virtuelle Ebene. Erzeugung der mathematischen Schichtinformation Generative Fertigung Umsetzung der Einzelquerschnitte in physische Schichten + Zusammenführung der physischen Einzelschichten zum Bauteil Physisches Bauteil Reale oder physische Ebene Generierung des physischen Bauteils Bild 1.3 Additive Herstellungsverfahren (AM): Prozesskette Der Datensatz, bestehend aus den Konturdaten (x-y), der Schichtdicke (dz) und der Schichtennummer (oder Z-Koordinate) jeder Schicht wird einer Maschine übermittelt, die zwei grundsätzliche Prozessschritte je Schicht ausführt, um das Teil zu erzeugen. Im ersten Schritt wird jede Schicht gemäß der vorgegebenen Kontur und Schichtstärke hergestellt. Dies kann in unterschiedlicher Weise unter Anwendung ver schiedener physikalischer Grundlagen erfolgen. Die einfachste Methode ist, die Kontur aus einer Folie oder einer Platte (aus)zuschneiden. Im zweiten Schritt wird jede Schicht mit der vorhergehenden verbunden und bildet dann die oberste Lage des teilweise erzeugten Bauteils. Schicht um Schicht wächst so das physische Modell vom Boden bis zur Spitze (von unten nach oben), bis das Teil fertiggestellt ist. Diese grundsätzlichen Schritte, Prozesskette genannt, sind für alle etwas mehr als 200 verschiedenen, heute erhältlichen AM-Maschinen gleich. Die Maschinen unterscheiden sich lediglich in der Art der Erzeugung jeder einzelnen Schicht und in der Weise, wie benachbarte Schichten verbunden werden, um das Teil zu formen. Daher sind alle Maschinen, die später in Kapitel 2 Schichtbauverfahren erläutert werden, durch einige gemeinsame Eigenschaften gekennzeichnet. Sie verwenden alle einen 3D-Datensatz also ein dreidimensionales, virtuelles Objekt, das auch als Digitales Produktmodell bezeichnet wird. Die von ihnen gefertigten Bauteile entstehen alle unter Verwendung von Schichten gleicher Stärke, entsprechend der Querschnitte des Produktmodells. AM ist somit prinzipiell ein 2 ½D-Prozess. 5

8 6 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen Die Bauprozesse haben keine Wechselwirkung mit der Produktentwicklung, sind also lediglich Faksimiles des digitalen Produktmodells. Die Maschinen können daher in jedem Stadium der Produktentwicklung und zur Produktion eingesetzt werden. Die Bauprozesse verwenden prozessorientierte und daher meist auch maschinenspezifische Materialien. Dadurch entsteht eine enge Verknüpfung zwischen Maschine, Prozess und Baumaterial, die (heute noch) alle durch den Maschinenhersteller angeboten werden. Dieser Effekt wird mit der zunehmenden Anzahl von auf dem Markt befindlichen Maschinen reduziert. Auch erhöht sich dadurch die Neigung unabhängiger Materialzulieferer, in den Markt einzutreten. In diesem Zusammenhang soll nochmals betont werden, dass Additive Herstellungsverfahren (AM) Fertigungsprozesse sind. 1.2 Anwendungen Die Mehrheit der an Additiven Herstellungsverfahren (AM) Interessierten möchte in erster Linie wissen, wie diese neue Technologie genutzt werden und welche Art von neuen und unterschiedlichen Produkten mithilfe ihrer Anwendung entwickelt werden kann. Darüber hinaus ist es von Vorteil, korrekte Begriffe in den Diskussionen innerhalb der Produktentwicklungsgruppen zu verwenden. Vielfach wird angenommen, dass jeder der unterschiedlichen AM-Prozesse, die im Einzelnen in Kapitel 2 Schichtbauverfahren beschrieben werden, an eine bestimmte Anwendung dergestalt gebunden ist, dass ein bestimmter AM-Prozess lediglich für eine einzige oder eine kleine Anzahl von Anwendungen genutzt werden kann, während ein anderer Prozess einzig für eine andere Anwendung geeignet ist. Diese Auffassung führt dazu, dass Interessierte zuerst alle möglichen Prozesse studieren und sich erst danach mit geeigneten Anwendungen beschäftigen. In der Praxis beginnt die Auswahl des am besten geeigneten AM-Prozesses mit der Festlegung der geeigneten Anwendung. Anschließend führen bestimmte Anforderungen wie Abmessungen, gewünschte Oberflächengüte, zulässige mechanische Belastungen, Temperaturen, usw. zur Auswahl des geeigneten Materials und schließlich zur Wahl eines Prozesses oder einer Maschine, die diese Anforderungen in zufriedenstellender Weise erfüllen kann. Grundsätzlich sind unterschiedliche AMProzesse geeignet, eine bestimmte Aufgabenstellung alternativ zu lösen. Bevor die unterschiedlichen additiven Herstellungsverfahren (AM) dargestellt werden (Kapitel 2 Schichtbauverfahren ), sollen daher die Anwendungsgebiete strukturiert dargestellt werden.

9 2.1 Direkte Schichtbauverfahren Industriell einsetzbare Verfahren nutzen Laser-Stereolithografie und masken basierte Systeme für die Massenherstellung von Mikrobauteilen. Ein am Markt tätiges Unternehmen, das auf kundenspezifische Materialien und Anwendungen auch für Großserien spezialisiert ist, ohne die Maschinen zu ver kaufen, ist microtec in Duisburg, Deutschland Sintern und Schmelzen Das selektive Schmelzen thermoplastischen Pulvers und die Rückverfestigung durch Abkühlung wird als Lasersintern (herstellerabhängig auch als Selektives Lasersintern) Laser Fusing oder Laser Melting (Laserschmelzen) bezeichnet. Verfahren mit einem Elektronenstrahl anstelle des Lasers nennt man Electron Beam Melting (EBM). Wird die Energie mittels (Infrarot-)Heizstrahlern zugeführt und durch eine Maske konturiert, bezeichnet man den Prozess als Selective Mask Sintering Lasersintern/Selektives Lasersintern (LS SLS) Die Bezeichnung Lasersintern oder Selektives Lasersintern wird bevorzugt für Maschinen verwendet, die Kunststoffe verarbeiten. Hersteller und Vertreiber sind 3D Systems, Rock Hill, SC, USA und EOS GmbH, München, Deutschland. Die Maschinen beider Hersteller sowie die Maschinen, die Metalle verarbeiten, sind sich sehr ähnlich. Sie bestehen aus einem Bauraum, der mit Pulver mit einer Korngröße (von ca. 20 µm bis ca. 50 µm gefüllt wird, und einem darüber angeordneten Laserscanner, der die x-y-kontur erzeugt. Der Boden des Bauraums ist als verfahr barer Kolben ausgebildet, der auf jede z-ebene eingestellt werden kann (Bild 2.10). Die Oberfläche des Pulverbettes bildet die Baufläche, in der die aktuelle Schicht hergestellt wird. Der gesamte Bauraum ist beheizt, um die Laserleistung und Verzüge zu minimieren und wird zur Vermeidung von Oxidationsvorgängen vollständig mit Schutzgas gefüllt (eine Lasersintermaschine ist in Bild 2.3, rechts, abgebildet). Der Laserstrahl konturiert jede Schicht. Die Konturdaten werden aus den Schnitt daten jeder Schicht im 3D-CAD-Modell gewonnen und vom Scanner gesteuert. Wo der Laserstrahl auf der Pulveroberfläche auftritt, werden die Partikel örtlich auf geschmolzen. Der Prozess hängt vom Durchmesser des Laserstrahls und der Scanoder Fortschrittsgeschwindigkeit ab. Während der Strahl weiterwandert, erstarrt das aufgeschmolzene Material infolge der Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung in das umgebende Pulver. Abschließend wird eine feste Schicht erzeugt. 43

10 44 2 Schichtbauverfahren Bild 2.10 Lasersintern und Laserschmelzen, schematischer Ablauf; Aufschmelzen und Verfestigen einer einzelnen Schicht, Absenken der Bauplattform, Neubeschichten (im Uhr zeigersinn, beginnend oben links) Nach der Verfestigung einer Schicht wird der Kolben am Boden des Bauraums samt Bauplattform um den Betrag einer Schichtdicke heruntergefahren, sodass das gesamte Pulverbett einschließlich des angearbeiteten Bauteils abgesenkt wird. Der entstehende Freiraum oberhalb des Pulverbetts wird mithilfe einer Rolle mit frischem Pulver gefüllt, das aus der angrenzenden Pulver-Vorratskammer stammt. Um das frische Pulver gleichmäßig zu verteilen, rotiert die Rolle entgegen ihrer Vorschubrichtung. Dieser Vorgang wird Wiederbeschichtung (Recoating) genannt. Nach der Wiederbeschichtung beginnt der Bauprozess zur Herstellung der nächsten Schicht von Neuem. Der ganze Vorgang wird Schicht für Schicht fortgesetzt, bis das Bauteil fertiggestellt ist. Meistens wird die oberste Schicht mithilfe einer abweichenden Scanstrategie hergestellt, um ihre Festigkeit zu erhöhen. Nachdem die Fertigung abgeschlossen ist und die oberste Lage erzeugt wurde, wird das gesamte Bauteil samt dem es umgebenden Pulver mit einigen zusätzlichen Pulverlagen bedeckt. Dieser sogenannte Pulverkuchen muss abgekühlt werden, bevor das Bauteil aus dem umgebenden Pulver herausgenommen und entfernt werden kann. Der Abkühlvorgang kann in der Maschine erfolgen, eine Abkühlung in einer getrennten Kammer erlaubt jedoch den sofortigen Beginn eines neuen Bauvorgangs. Sintern ermöglicht die Verwendung aller Materialarten wie Kunststoffe, Metalle und keramische Materialien. Die Maschinen sind grundsätzlich sehr ähnlich. Die Maschinen werden entweder durch Softwareanpassungen (und eventuell kleinere Hardwareänderungen) an die verschiedenen Materialien angepasst oder spezielle Versionen eines Maschinengrundtyps werden für die Verwendung einer bestimm-

11 2.1 Direkte Schichtbauverfahren ten Materialart optimiert. In diesem Zusammenhang werden die Systeme zur Wieder beschichtung speziell für die zur Verwendung kommenden Materialien angepasst, z. B. Rollensysteme für Kunststoffpulver sowie Trichtersysteme oder Füllschuhe für kunststoffbeschichteten Formsand. Für metallverarbeitende Systeme werden auch Wischersysteme verwendet. Während Standard-Kunststoffmaterialien Polyamide des Typs PA 11 oder PA 12 sind, ahmen heutige Hochleistungsmaterialien die Eigenschaften von PC, ABS, PA (6.6) Kunststoffen nach und erzeugen Konstruktionselemente wie Filmscharniere und Schnapphaken. Das Hochtemperatursystem EOS 395 (2011) ist zurzeit das einzige am Markt erhältliche System, das auch Hochleistungskunststoffe (in diesem, Fall PEEK) verarbeitet, und gibt damit den Trend vor. Für das Lasersintern sind ungefüllte oder mit sphärischen oder eiförmigen Glas-, Aluminium- oder Kohlenstoff-Partikeln gefüllte Materialien verfügbar, die deren Festigkeit und Temperaturbeständigkeit erhöhen. Sogar schwer entflammbare Ma terialien sind erhältlich. Die Entnahme des Bauteils aus dem Pulver (das sogenannte Ausbrechen, Break Out ) wird üblicherweise von Hand durch Bürsten und Sandstrahlen mit geringem Druck ausgeführt. Halbautomatisch arbeitende sogenannte Break Out -Stationen erleichtern die Arbeit und markieren den Trend zu automatischer Reinigung. Metallische Bauteile müssen mechanisch von der Bauplattform und den Stützen getrennt werden, was zeitaufwendig ist und handwerkliche Fähigkeiten erfordert. Kunststoffbauteile sind oft porös und müssen getränkt werden. Falls erforderlich, können sie einer Oberflächenbehandlung unterzogen, bzw. lackiert werden. Typischerweise sind metallische Bauteile dicht. Sie können in Abhängigkeit des Werkstoffs wie konventionell hergestellte bearbeitet werden, z. B. durch Schneiden oder Schweißen. Gesinterte Kunststoffteile verfügen über Eigenschaften, die denen von KunststoffSpritzgussteilen nahekommen. Sie werden entweder als Prototypen (Bild 2.11, links) oder als (direkt hergestellte) Bauteile (auch Zielteile oder Serienteile genannt), (Bild 2.11, rechts) angefertigt. Bild 2.11 Selektives Lasersintern, SLS (3D Systems), Polyamid; Motor-Abgassammler, Prototyp (links, Gebläserotor, Endprodukt (rechts) (Quelle CP GmbH) 45

12 5.1 Materialien für additive Herstellungsverfahren dung keramischer Fasern (SiC), bei dem das Schneiden der Fasern vermieden wird, ist in /Klo99/ beschrieben (siehe Bild 5.5). Mit diesem Prozess ist es möglich, die Schichten unter definierten, jedoch unterschiedlichen Winkeln anzuordnen, um die Struktur der erwarteten Belastung anzupassen. SiC, aufgebaut aus curved Schichten SiC, aufgebaut aus ebenen Schichten Bild 5.5 Layer Laminate Manufacturing (LLM); verstärkte gewölbte Teile mit integrierten SIC-Fasern /Klo99/ Individuell zugeschnittene (graded) Werkstoffe und Kompositwerkstoffe Isotropes Materialverhalten ist offenbar die oft nicht mehr explizit erwähnte Grundlage aller klassischen Entwurfs- und Konstruktionsregeln. Die meisten der heutigen Produkte sind auf der Grundlage dieser Regel entwickelt, und nicht nur die Konstruktion, sondern auch die Fertigung dementsprechend optimiert worden. AM ermöglicht es jedoch, Produkte aus Werkstoffen mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen, die selektiv an die im Gebrauch auftretenden Belastungen angepasst werden können. Bauteile aus solchen Werkstoffen können nicht mit herkömmlichen Fertigungsmethoden, jedoch mittels AM-Technologie hergestellt werden, da deren Werkstoffcharakteristika nicht nur vom Rohmaterial sondern auch von der Art des lokalen Materialauftrags und der örtlichen Verfestigung und somit vom Prozess bestimmt werden. AM gestattet, das für eine bestimmte Anwendung geforderte Material lokal zu beeinflussen, sogar zu gestalten. Zum Beispiel kann der Parameter Farbe, der auch eine Materialeigenschaft darstellt, während des 3D-Druckprozesses (Pulver-Binder-Prozess) eingestellt werden, sodass durchgehend gefärbte Teile erzeugt werden. Zukünftig kann der gleiche Prozess zur Einstellung der Flexibilität oder anderer Eigenschaften eines Teils angewendet werden. Der Polymer-Druckprozess (Objet) demonstriert die Durchführbarkeit. Er erlaubt, unterschiedliche Materialien im gleichen Bauprozess zu verarbeiten und sogar die jeweiligen Anteile während des Prozesses zu variieren. Teile mit zwei Komponenten, z. B. Hart-Weich-Kombinationen, können in Nachahmung von Spritzgussteilen aus zwei Komponenten heute schon hergestellt werden. 153

13 154 5 Materialien, Entwurf und Qualitätsaspekte für additive Herstellungsverfahren Diese Beispiele kennzeichnen den Beginn der Fertigung anisotroper Produkte mit lokal an die Belastung angepassten Werkstoffen. Die ersten Schritte demonstrieren das grundsätzliche Prinzip, das eine intensive Weiterentwicklung in der Zukunft erfahren wird und so nicht nur die Herstellung industrieller Produkte sondern auch von Nahrungsmitteln sowie medizinischen Strukturen, Medikamenten und künst lichen Organen ermöglicht. Beispiele sind bereits verfügbar, befinden sich jedoch noch in der Erforschung und Entwicklung. Alle Prozesse, die mit Materialien aus kleinen Kartuschen, Containern oder auf gewickelten Filamenten versorgt werden, sind in der Lage, im Multi-Material-Betrieb zu arbeiten, indem lediglich die Materialauftragseinrichtungen vervielfältigt werden. Sowohl Polyjet- als auch 3D-Druckprozesse haben bereits begonnen, diese Technik anzuwenden (siehe oben). Der soeben (2014) vorgestellte CubeX Personal 3D Printer (3D Systems) hat eine Idee aus der Fabber Szene aufgegriffen und arbeitet auf der Basis der Extrusion (System FDM) mit bis zu drei unterschiedlichen Farben. Individuell zugeschnittene Werkstoffe (graded materials) und Kompositwerkstoffe sind nicht nur eine Herausforderung für additive Herstellungsverfahren. Um von den sich abzeichnenden Möglichkeiten zu profitieren, muss der Konstrukteur mit ihnen vertraut sein. Konstruktionsregeln müssen erweitert werden, um Bauteile aus an isotropen Werkstoffen mit geeigneten Materialparametern berechnen zu können. 5.2 Konstruktions- und Entwurfsrichtlinien für AM Um die Vorteile von AM zu nutzen, sind bestimmte Konstruktionsrichtlinien zu beachten. Sie werden vor allem aus der praktischen Anwendung von AM abgeleitet und sind bisher nur in geringem Umfang Ergebnis methodischer Untersuchungen. Da dieses Gebiet recht neu ist, fehlt ein abgeschlossener Konstruktionsleitfaden, wie er für Gießen oder Fräsen vorliegt. Einige Regeln können jedoch als unvollständiger Einstieg vorgelegt werden. Die Arbeiten werden von dem VDI Arbeitskreis FA 105 und dort vom Arbeitskreis FA105.3 Rapid Manufacturing Konstruktionsempfehlungen vorangetrieben Toleranzen Vom digitalen Entwurf zum Objekt Entwurfsingenieure müssen vor Augen haben, dass AM-Bauteile nach einer 3DZeichnung gefertigt werden und der Fahrweg der Baueinheit durch die Kontur des Bauteils bestimmt wird. Um diese Vorgabe im Prozess zu erreichen, wird der Fahr-

14 Index Symbole 2 ½D-Prozess 5 3D-Bioplotter 61 3D-Datensatz 70 3D-Dekorationsobjekte 105 3D-Drucken 51, 101 Formsand 94 3D-Drucker 26 3D-Grafiken 104 3D Printer 26 3D Printing 51 A Abformprozess 82 ABS-Kunststoff 45, 149 ACES Injection Molding (AIM) 17 Acrylate 146, 148 Additive Herstellungsverfahren 4 Prozesskette 5 Additive Manufacturing 3 Prinzip 33 Additive Manufacturing File Format (AMF) 77 Aerosoldrucken 60 Aerosolprinting 60 Aktive Personalisierung 134 Alterung 146 Aluminium 46 streifen 59 stützform 22 AM 123 AM-Ausrüstung Hersteller 142 Lieferanten 142 AMF-Format 71 Hauptbefehle 78 AM-Front-End 70 AM-Maschinen 27 Klassifizierung 29 Laser-Stereolithografie 37 Amorphes Polystyrol 148 AM-Prozess Erzeugung der physischen Schicht 35 Generische Bezeichnungen 36 Herstellungsprozess 33 Konturierung der Schichten 35, 36 Physikalisches Prinzip der Erzeugung 36 Polymerprinting 40 Stereolithografie 37 Treppenstufeneffekt 34 AM-Prozesse direkte Prozesse 7 indirekte Prozesse 8 AM-Prozesskette 70 f. AM-Technologien 7 Rapid Manufacturing 7 Rapid Prototyping 7 Anaplastologen 101 anisotrope Eigenschaften 143 anisotropes Verhalten 50 Anisotropie 143 Anschauungsmodelle 9 f., 27 Anwendungen 69 Anwendungen 3D-Drucken (PulverBinder-Prozess) 105 Architektur 103 Anwendungen 3D-Metalldrucken 90 Anwendungen Kunst 92 Anwendungen Lasersintern 80, 88, 102 Anwendungen LOM 89 Anwendungen SLM 83 f. Anwendungen Stereolithografie 81 f., 85 Anwendungsebenen 1 Architektur 102 ASME 3 ASTM F Ausschmelzverfahren 52 Automobilindustrie 79 Automobilkomponenten 79 B Bathsheba 54 Bauorganisation 162 Bauteile Langzeitverhalten 146 beschichtete Metallplatten 148 bewegliche Elemente 118 Bindefehler 146 Bionisches Handhabungssystem 121 Body Scanning 91 Break Out 45 C CAD-Rendering 106 Cloud Production 137 CoCr 100 Legierungen 46 Collagen 61 Concept Modeling 8 conformal cooling 98, 113 Connex 40 Coproduktion 137 Cusing 46 Customization 127 Customized Production 130 D Delamination von Schichten 143 Dentalrestauration 133 Desktop Manufacturing 2 dichte Bauteile 144 Diffusionsschweißen 145 Digitales Produktmodell 5 Digital Light Processing 41 f. digital to object 155 Direct Layer Manufacturing Process 33 Direct Manufacturing 12 f. Direct Metal Sintering (DMS) 46 Direct Tooling 14 direkte Bauteilherstellung 27 direkte Schichtbau-Herstellungs verfahren 33 direkte Schnittdaten SLC 76 direkte Werkzeugherstellung 27 Distributed Customized Production 137 DLP-Projektor 35, 41 Dreidimensionales Drucken 51

15 184 Index Drop On Powder Process 51 Drucker 26 E EBM 47 Edelmetalle 150 Einschlüsse 146 Einzelstücke 128 Electron Beam Melting (EBM) 43, 47 Elektronenstrahl-Schmelzen (EBM) 47 f. Endprodukt 72 Entformen der Stützen 50 Entmischung 146 EOS 800/ EOS P Epithese 101 Epithetiker 101 Epoxidharz 146, 148 Erodieren 15 Ersatzteil-Problematik 156 Extrusionsverfahren 48 F Fabber 62, 66, 135 Fabrikator 26 Fabrisonic 59 farbiges 3D-Drucken 105 farbige Teile 52 Faserlaser 47 faserverstärkte Leichtbaustrukturen 152 FDM-Prozess 50 FDM-Teile Oberflächenstrukturen 50 Feingießen 130 Festkörpergelenk 120, 122, 156 Fibrin 61 file-typen 76 film hinges 156 film joints 156 Filmscharniere 45, 117, 156 Finishing 39, 72 flexures 156 Folgeprozesse 64 Folien 148 Food Processing 125 Formenbau 97 Formeneinsatz 15 Formrahmen 23 Freeform Manufacturing 2 Freiformobjekte 105 Front-End-Software 71 Füllstoffe 145 Functional Prototyping 10 f. Funktionsprototyp 10, 27 Fused Deposition Modeling (FDM) 11, 49 Fused Layer Modeling 48 f. G Galvo-Typ 35 gefüllte Materialien 45 Generative Fertigungsverfahren 2 f. Generative Herstellung 2 generische Bezeichnung 27, 35, 51 Gießharzwerkzeuge 23 Gießtechnik 93 Gipskeramik 52 Gold 46 Graded Materials 64 Gradientenmaterialien 64, 152 Gradient-Modulus Energy Absorbing Material (GMEAM) 60 Grünling 36 Gussteile Kerne 93 H Hart-Weich-Kombinationen 153 Herstellung von Kleidung 123 Herstellung von Nahrungsmitteln 125 Hochgeschwindigkeitsfräsen 15 Hochtemperaturmaschine 148 Hochtemperaturthermoplast 50 Hörgeräteschalen 133 Hydroxyapathit 61 I Implantate 100 Indirect Manufacturing 24 Indirect Prototyping 19 f. Indirekte Prozesse 18 Indirekt Tooling 22 Individualisierung 128, 130 individualization 128 Individuell zugeschnittene (graded) Werkstoffe 153 Infiltration 71, 144 infiltriert 51 f. innere Kühlkanäle 14 Integrierte Geometrie 115 Isotrope Grundmaterialien 145 isotropes Materialverhalten 143 K Kalibrierung 161 Kavitäten 14 keramische Materialien 83, 152 Kleinserienproduktion 128 Kohlenstoffstähle 46 komplexes Kühlnetz 113 Kompositteile 152 Kompositwerkstoffe 152 Konsumgüter 84 konturangepasste Kühlung 97 f. konturnahe Kühlkanäle 113 Konzeptmodell 9 f., 52 Korrosion 146 Kriechen 156 Kühlnetz 98 Kunst 90 Kunstobjekte 90 Kunststoffdreieck 149 Kupfer 150 L Laminatdrucker 58 Laminated Object Manufacturing (LOM) 56 f. Laminate Printers 58 Lampen-Masken-Verfahren 41 Landschaftsgestaltung 102 Laser Fusing 43 Laser Melting 43 Laserplotter 56 Laserschmelzen 44, 46 Lasersintern 25, 43 f., 80 amorphe Materialien 96 Polystyrol 25 Werkstoffe 147 Lasersintern von Kunststoffen 146 Laser-Stereolithografie (LS) 37, 99 Schema 38 Layer Laminate Manufacturing (LLM) 56 f. Luftfahrtindustrie 83 M M3D-Prozess 151 Magnesium 47 Managementsystem 163 Materialdatenbank 71 Materialdatenblätter 150 Materialien für additive Herstellungsverfahren 141 Materialien für AM-Metallprozesse 151 Mathematische Funktionen 104 MCOR Iris 58 MCOR Matrix 58 Mehrfachmaterial 49 Meta Design 134 f.

16 Index 185 Metalldrucker 54 Metalldruckprozess 54 Microfluidisches Element 162 Mikrobauteile 151 Mikro-Laser-Sintern (EOS) 47 Mikro-Stereolithografie 42 Modellguss 134 Monomer 37 Multi-Material 124 Prozesse 125 N Nachbehandlung 52 Nachbehandlungsofen 36 Nahrungsmittelbereich 51 Nahrungsmitteldrucker 126 O On-Demand Manufacturing 3 Oxidation 146 P PA 45 PA PA Paper Lamination 58 Part Property Management (PPM) 145 Part Property Profiles (PPPs) 145 Passive Personalisierung 132 PC (Polycarbonat) 45 PEEK (Polyetheretherketones) 45, 148 Perfectory 41 Personal 3D-Drucker 27 Personal 3D Printer 66, 135 Personal Fabricator 135 Personalisierung 128, 132 personalization 128 Personal Printer 27 pharmazeutischer Bereich 51 Photopolymerisation 147 PLY 71 PMMA-Kunststoff 26 Polyamide 45, 147 Polycaprolactone (PCL) 61 Polycarbonat (PC) 45 Polyimide 149 PolyJet Matrix 40 Polymerdrucken 99 Polymerdruckverfahren 39 Polymerisation 36 f. Polymerisationsprozess 133 Polymerjetting 39 Polymerprinting 41 Polyphenylsulfon 148 Polystyrol 96 Polyurethan (PUR) 22 Poren 146 Porosität 144 Positionierung der Bauteile im Bauraum 158 Post Processing 39, 72 Powder Binder Process 53 PPSU-Material 148 Printer 26 Production Printer 27 Produktions 3D-Drucker 27 Professional Printer 27 Professionell 3D-Drucker 27 Prototyp 72 Prototyper 26 Prototype Tooling 16 f. Prozesskette Sandguss 94 Pulver-Binder-Prozess 99 Pulver-Binder-Verfahren 51, 101 Pulverkuchen 44 R Rapid Manufacturing 12 Prozesskette 74 Rapid Prototyping 2 Prozesskette 72 f. Software 71 Rapid Tooling 14 Raumtemperatur Vulkanisation 64 Recoating 44 Prozess 56 relative Passgenauigkeit 156 Room Temperature Vulcanization, RTV 33, 64 rostfreie Stähle 46 S Sanddruckmaschine 54 Sandguss 93 Sandkern 95 Scaneinrichtung 37 Scanner 43 Schädelmodelle 73 Scharnier 117 Schichtbautechnologie 3 Schichtbauverfahren 2, 33 Schichtbauweise 4 Schichtdicke 34 Schicht-Laminat-Verfahren 56 Schnapphaken 45, 117 Schnappverbindungen (snap-fits) 156 Schnappverschluss 119 Schutzgas 47 schwer entflammbare Materialien 45 Sekundäre Rapid Prototyping Prozesse 64 Selective Laser Melting (SLM) 46 Selective Mask Sintering 43 Selektives Laserschmelzen (SLM) 13, 46, 83, 150 Selektives Lasersintern 43, 45 Self Customization 135 f. Silikonguss 64 Solid Imaging 8 Solids 33 Spiel für Gelenke und Bohrungen 158 Spielzeugindustrie 89 Standard Transformation Language 75 stärkeähnliche Pulver 52 Stereolithografie 17 Stereolithography Language 75 STL-Datensätze Fehler 77 STL-Format 71, 75 Stützen 37 T Tessalation 75 Testwürfel für verschiedene Geometrien 160 Textur 52 Thermojet-Drucken 39 Three Dimensional Printing 51, 55 Titan 46 f., 100 Toleranzen 154 Toleranzfeld 155 Treppenstufenbildung 159 Treppenstufeneffekt 34 Triangulation 75 U Überschusspulver 55 Ultraschallschweißen 145 Ultraschall (US) 59 Ultrasonic Consolidation 59 f. Urmodell 18, 22 UV-Beständigkeit 146 V Vakuumgießen 20, 33, 64 f. Vakuumguss 21 VDI VDI Arbeitskreis FA

17 186 5 Index Verteilte individualisierte Produktion 137 Vollformguss 25 VRML 71, 76 W Z Wachsausschmelzverfahren 25, 95 f., 130 Wachsdrucker 95 Werkzeugeinsatz 14 f. Wiederbeschichtung 44 f. Zahnersatz 133 Z-Corporation 51 Zykluszeit 15

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